JP2010510548A5 - - Google Patents

Description

その一方で、前記多導波鉛直方向集積化プラットフォームに基づく光通信集積回路の設
計は能力がためされる。なぜならば、前記多機能光通信集積回路構造の鉛直方向の異なる
レベルに機能的に異なる波長要素を、鉛直方向に積層された光導波路間の光信号の制御可
能な遷移を介して共通の光回路へ作り上げる必要性のためである。その際、前記課題はさ
らに複雑化し、前記光通信集積回路は複数の波長において作動し、各々の波長は、前記多
機能光通信集積回路構造のある鉛直方向のレベルで指定された導波路において生成され、
または処理され、または検出されるが、全ての波長は、同一の入力／出力光ポートを共用
している。特に、以降、鉛直波長（デ)マルチプレクサ（ＶＷＭ）と呼ぶ導波路装置に対
し、種々の波長範囲における光信号の鉛直方向の結合および分離を可能にする必要性があ
り、その結果、使用中に、各特定の波長の範囲における信号が前記波長指定（共通）入力
導波路から前記共通（この波長指定）出力導波路内へ、前記他の波長指定導波路との顕著
な相互作用なしに遷移する。加えて、それはコンパクトで、前記光通信集積化回路の動作
要件に従順で、前記製造工程の変更に寛容であるべきである。

最近、波長選択方向性結合器を鉛直方向の波長分離に用いる考えが、さらなる研究によ
り、共鳴格子利用結合（例えば、R.C. Alfernes等、「回折格子補助InGaAsP InP 鉛直方
向の共通方向性結合器フィルタ」、Appl. Phys. Lett., Vol. 55, P.2011, 1989）または
共鳴エバネセント場結合のような、主として共鳴結合技術に基づいて発展した。共鳴エバ
ネセント場結合技術自体は、平面状導波路（例えば、Ｖ.Ｍagnin 等、「多重モード希釈
化導波路に基づく1.3/1.55μｍの波長選択的なp-i-n フォトダイオードの設計および最適
化」、IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 17, No.2, pp.459-461, 2005）、直線隆起導
波路（例えば、Ｃ.Wu, et al., 「極狭バンド幅の鉛直方向に結合したInGaAsP/InP 方向
性結合器フィルタ」、IEEE Photon. Technology Lett., Vol. 3, No.6, pp.519-521, 199
1）およびテーパ状隆起導波路（例えば、Ｃ.‐Ｗ. Lee et al., 「偏光の独立結合および
偏光モード分離のための非対称的導波路鉛直方向結合器」J. Lightwave Technol., Vol.
23, No.4, pp.1818-1826, 2005）を用いる解決法へ細分される。

図３は、導波路の湾曲によって横方向の切換えが達成される２波長の鉛直波長（デ）マ
ルチプレクサにおける前記共通導波路からの鉛直方向の分離の後に前記第１の（より短い
）波長の横方向の切換えに関係する本発明の第１の実施の形態を示す。

図５は、前記導波路の湾曲に隣接する反射する深いエッチングによる溝で補完された導
波路の湾曲を用いることで横方向の切換えが達成される２波長の鉛直波長（デ）マルチプ
レクサ内での前記共通導波路から鉛直方向に分離した後の前記第１の（より短い）波長の
横方向の切換えに関係する本発明の第２の実施の形態を示す。

図６は、前記導波路の湾曲に隣接した浅いエッチングの横方向反共鳴反射光学導波路（
ＡＲＲＯＷ）構造で補完された導波路の湾曲を用いて横方向の切換えが達成される前記２
波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ内での前記共通導波路からの鉛直方向の分離の後の
前記第１の（より短い）波長の横方向の切換えに関連する本発明の第３の実施の形態を示
す。

図７は、浅いエッチングの全反射（ＴＩＲ）ミラーを用いて横方向の切換えが達成され
る２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサにおける共通導波路から鉛直方向の分離の後の
前記第１の（より短い）波長の横方向の切換えに関連する本発明の第７の実施の形態を示
す。

この教示に従った前記導波路の層構造の設計および配置は一体的に集積化された鉛直波
長（デ）マルチプレクサを生み出し、そこでは、共通方向または双方向に前記共通導波路
内を伝播する前記入力信号１１０によって示されるような異なる波長範囲の２つの光信号
が鉛直方向に２つの波長指定導波路であって各々信号１１１および１１２で表されるもの
に鉛直方向に分離することができる。これは多導波鉛直方向集積化（ＭＧＶＩ）環境にお
ける前記波長逆多重化への非常に一般的な方法であるけれども、いわゆる当業者はそれは
前記第１の指定導波路の配列の設計を、第１の能動的導波路と同一のレベルで形成された
深いエッチング横方向テーパの要求された動作と融和性があるように制限するものである
ことを理解できる。特に、前記第１の波長で作動する第１の深いエッチング指定導波路の
幅は、前記第１の指定導波路の全長にわたって、前記第２の波長に対する前記遮断幅より
下、すなわち、λ_２＜λ_co１（λ_２）のままであるべきである。これは、もし前記第１の
指定導波路が低い抵抗の頂上の接点または／および前記隆起の頂上または側面の表面エッ
チング格子または／およびこの指定導波路設計によって要求される同様な性質の任意の他
の特徴をもたなければならないならば、これは実行するのに困難であろう。さらに、前記
第２の波長１１２の遷移は、頂上の接点または頂上／ 側面の格子のような前記第１の指
定導波路１１１と連結する全ての機能的な要素が実行されて初めて断熱的に結合できるの
で、長い構造に帰着し、それによってウェハ当たりの打ち抜き数を制限しかつ素子コスト
を増大させることはいわゆる当業者には明らかであろう。

設計に関して、前記多導波鉛直方向集積化構造は、前記第１の指定導波路の前記導波層
が２つの層からなっており、その各々は前記第１の作動波長での導波モードを支えること
ができ、そのより低いコア層はこの波長に対して透明である（すなわち、前記第１の作動
波長より十分上のバンドギャップ波長をもつ半導体物質から製造された）という点で異な
る。もう１つの設計上の相違は、前記導波路のルータが前記第１の指定導波路の導波層の
より低いコア内に形成され、かつ横方向のものであって、一旦前記第１の（より短い）作
動波長内の光信号が鉛直方向に前記第２の（より長い）作動波長での光信号から分離しか
つこの層に結合すると、それは前記共通導波路および前記第１の指定導波路から横方向に
切り換えることができる点で相違する。前記横方向のルータの現実の設計は変更可能であ
るけれども、ここで開示されている前記鉛直波長（デ）マルチプレクサのいずれの実施の
形態での役割は同一のままであって、それらが既に鉛直方向に分離した後に前記第１およ
び第２の作動波長での前記光信号を横方向に分離する。これは、前記第１および第２の受
動的導波路の配置設計が、相互に独立に最適化されることを可能にし、したがって、前記
鉛直波長（デ）マルチプレクサおよび全体の光通信集積化回路、その回路の一部であって
も良いが、設計の柔軟性を増進する。いわゆる当業者にとって明らかであろうことは、前
記第１の作動波長の結果としての分離はその指定導波路の機能的要素が、前記第２の断熱
的結合器および前記第２の指定導波路の機能的要素を実行するために使用されるものと同
一の縦型の設置面積内で実行されることを可能とする。そのような前記２工程の鉛直波長
（デ）マルチプレクサ２００は、先行技術の機能的に同一の１工程鉛直波長（デ）マルチ
プレクサよりもより短いので、ウェハ当たりの打ち抜き型の個数を増大させ、電気的な相
互結合性、素子配置等の柔軟性を増大するとともに、素子費用を削減する。

作動原理に関して、図１および図２に示された２つの導波路装置の間の相違は、前者が
、前記第１および第２の作動波長での前記光信号の間の空間的な分離が鉛直方向の分離に
よってのみ達成されるのに対して、後者では、２つの波長の間の分離は鉛直方向の分離と
横方向の経路の設定の双方を組み合せている点である。前者は、先行技術におけるTolsti
khin（米国特許出願 同上）によって記載されたものと同様な処理により、後者は、前記
第２の（より長い）波長をまだ閉じ込めている受動的導波路から離れた前記第１の（より
短い）波長の横方向の切換えによる。これは、前記第２の波長と前記第１の指定導波路と
の間の相互作用を削減し、このようにして、前記鉛直波長（デ）マルチプレクサおよび前
記光通信集積化回路の全体、該回路の一部であっても良いが、その動作を改善する。

断熱的遷移の結果は図４ｂに示され、図４ｂは、表１の層構造に基づく数値シミュレー
ションによって得られた図３に示した導波路配置の準３次元図のＹ−Ｙ線視横断面におけ
る前記第１の（より短い）波長および前記第２の（より長い）波長での光学場の２次元モ
ードの輪郭を示している。この横断面においてより長い前記波長（左側）での光学場は、
まだ、受動的導波路内に主として局在化したままである一方、より短い前記波長（右側）
での光学場は既に前記遷移導波路と結合している。言い換えれば、Ｙ−Ｙ線視横断面は、
前記隆起３５０の断熱的テーパを通じて達成された２つの作動波長の間の完全な鉛直方向
の波長分離を表す。

いわゆる当業者にとって、前記共通導波路から前記遷移導波路への断熱的遷移によって
前記第２の（より長い）波長から分離した後に前記第１の（より短い）波長の前記横方向
の切換えの為の遷移導波路湾曲とは異なる他の機構も可能であることは明らかである。２
波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ３００は２波長スプリッタとしての動作で記述され
ている一方、他の実施の形態が可能であることはいわゆる当業者にとって明らかであろう
。例えば、各部分３６０b及び３５０dの後に１の導波路を付け加えると、本発明の前記第
１の実施の形態に記載されているように、光検出器が２波長の鉛直波長（デ）マルチプレ
クサの受信器を生み出す。前記構造を逆に作動させると、２波長の結合器を提供し、その
結果、２つの端部放射半導体注入レーザは本発明の第２の実施の形態に記載されているよ
うに、２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ送信器に結合され、さらに、１の波長を１
導波路光検出器で、他の波長を１の端部放射半導体注入レーザで実行させることは、本発
明の前記第３および第４の実施の形態において上述したように、２波長の鉛直波長（デ）
マルチプレクサの双方向のトランシーバを可能にする。

いわゆる当業者にとって、上述した２波長の鉛直波長（デ）マルチプレクサ３００，５
００，６００，７００の各々の前記受動的導波路の経路における２つの波長の共通方向お
よび双方向の両者の伝播が可能であって、前記波長の分離および結合の機能が各々可能で
あることは、いわゆる当業者にとって明らかである。このようにして、本発明の実施の形
態に係る各前記横方向ルータ３００，５００，６００，７００が採用されて、２波長の受
信器または送信器またはトランシーバを可能にする鉛直波長（デ）マルチプレクサを形成
する。

Claims (6)

1. 前記共通指定導波路の前記バンドギャップは、少なくとも第１の予め定めた波長の変位
   によって前記複数の波長指定導波路の任意の予め定めた第２の波長範囲より下にある請求
   項１または請求項２に記載の集積化光通信装置。
2. 前記複数の波長指定導波路の内の１の前記バンドギャップ波長は、前記複数の波長指定
   導波路の前記先行する波長指定導波路の前記予め定めた第２の波長範囲の上であり、前記
   先行する波長指定導波路は第２の予め定めた波長の変位によって選択された前記
   波長指定導波路より下でかつそれに最近接の鉛直方向に設けられた前記複数の波長指定導
   波路の１である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の集積化光通信装置。
3. 前記複数の波長指定導波路の内の１の前記バンドギャップ波長は、前記複数の波長指定
   導波路の取って代わろうとしている前記波長指定導波路の予め定めた第２の波長範囲の下
   であり、取って代わろうとしている前記波長指定導波路は第３の予め定めた波長変位によ
   って選択された前記波長指定導波路より上でかつ最近接の鉛直方向に設けられた前記複数
   の波長指定導波路の内の１である請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の集積化光通信
   装置。
4. 前記共通指定導波路の前記バンドギャップ波長は、少なくとも第１の予め定めた波長の
   変位によって、前記複数の波長指定導波路の任意の予め定めた第２の波長範囲の下である
   請求項１４または請求項１５に記載の方法。
5. 前記複数の波長指定導波路の内の１の前記バンドギャップ波長は前記複数の波長指定導
   波路の前記先行する波長指定導波路の前記予め定めた第２の波長範囲の上であり、前記先
   行する波長指定導波路は、第２の予め定めた波長変位により、選択された波長指定導波路
   より下かつ最近接の鉛直方向に配列された前記複数の波長指定導波路の内の１である請求
   項１４乃至請求項１６のいずれかに記載の方法。
6. 前記複数の波長指定導波路の内の１の前記バンドギャップ波長は、前記複数の波長指定
   導波路の取って代わられる前記波長指定導波路の予め定めた第２の波長範囲より下であり
   、取って代わられる前記波長指定導波路は、第３の予め定めた波長変位により前記選択さ
   れた波長指定導波路より上かつ最近接の鉛直方向に配列された前記複数の波長指定導波路
   の内の１である請求項１４乃至請求項１８のいずれかに記載の方法。